Mladost je preživel v Kamniku. Med 2. svetovno vojno, leta 1943, je bil prisilno mobiliziran v nemško vojsko in bil, po komaj 4-mesečnem vojaškem urjenju v Mistelbachu, poslan na vzhodno fronto. Iz nemške vojske je dezertiral in konec vojne dočakal v sovjetskem ujetništvu. V Kamnik se je vrnil novembra 1945.
Po vojni je vpisal študij geografije, zgodovine in etnologije na ljubljanski Filozofski fakulteti. Leta 1951 je diplomiral na takratni Prirodoslovno–matematični fakulteti, leta 1957 je doktoriral na takratni Naravoslovni fakulteti v Ljubljani z disertacijo Pokrajina med Snežnikom in Slavnikom. Od leta 1951 je bil zaposlen na Filozofski fakulteti, od leta 1960 kot docent, od 1966 kot izredni in od leta 1972 kot redni profesor na Oddelku za geografijo Filozofske fakultete v Ljubljani. V letih 1962–1980 je bil direktor Inštituta za geografijo pri ljubljanski univerzi, ki ga je tudi soustanovil. Bil je med soustanovitelji Slovenskega raziskovalnega inštituta v Trstu. Zasnoval je revijo Geographica Slovenica in bil med organizatorji številnih mednarodnih strokovnih srečanj. Polnih 26 let je bil član uredniškega odbora Geografskega vestnika. V letih 1988–1989 je vodil tudi Inštitut za narodnostna vprašanja. Strokovno se je izpopolnjeval v Münchnu, Varšavi in drugod. Bil član številnih mednarodnih znanstvenih združenj: leta 1972 je postal dopisni član münchenske Südosteuropa Gesellschaft (de), leta 1988 dopisni član hannoverske Akademie für Raumforschung und Landesplanung (de), bil je dopisni član münchenskega Geografskega društva (de),od 1989 graškega Internationale Städteforums (de) in član uredniških odborov strokovnih in znanstvenih časopisov. Postal je častni član makedonskega, srbskega, italijanskega, poljskega in nemškega geografskega društva. Za zasluge na različnih področjih dela je bil večkrat odlikovan: prejel je 26 pohval, plaket, priznanj in nagrad. Med najbolj vidnimi so Red dela z zlatim vencem (1982), Red zaslug za narod s srebrnimi žarki (1987), priznanje Ambasador Republike Slovenije v znanosti (1992), zlato plaketo Univerze v Ljubljani (1995), Nagrado Republike Slovenije na področju šolstva (1996), Srebrni častni znak svobode Republike Slovenije (1996), leta 1998 je dobil naziv zaslužni profesor ljubljanske univerze, leta 2004 je prejel Tischlerjevo nagrado in leta 2011 (skupaj s sinom Matjažem) Zoisovo nagrado.
Svoj nemirni duh, vsestransko zanimanje za stroko je Klemenčič pokazal že v svojih prvih raziskovanjih, ki so se deloma nanašala tudi na kamniško področje, npr. v člankih Agrarna geografija Tuhinjske doline (1953) in Urbanizacija okolice Kamnika (Geografski vestnik, 1953). Posebno pozornost je posvetil proučevanju Avstrijske Koroške, zlasti njenega prebivalstva. Sprva so bili v ospredju proučevanja popisi prebivalstva. V številnih razpravah, predvsem pa v delu Kritični pretres avstrijskega popisa prebivalstva 1951 z ozirom na jezikovno strukturo na Koroškem (1960) je znanstveno–dokumentirano dokazoval popisne manipulacije v škodo slovenske manjšine. Kritično je spremljal tudi kasnejše popise, še posebej njihovo metodologijo in o tem pisal v razpravi Avstrijski popis prebivalstva po materinem jeziku leta 1976 in v drugih. Lotil se je tudi priprave karte dvojezičnih imen na Avstrijskem Koroškem. S koroško regijo in manjšinsko tematiko je tudi sklenil svoj več kot polstoletni delovni opus – tri obsežne monografije , ki sta jih pripravila skupaj s sinom Matjažem, zgodovinarjem, ki predstavljajo velik prispevek k vedenju in razgledu o koroško-slovenski tematiki. Bil je eden prvih, ki je z znanstveno metodo razlagal razvojne procese v obmejnih in hkrati manj razvitih področjih, pri čemer so njegove ugotovitve o smereh nadaljnjega razvoja segale že na področje prognoze. Posebno pozornost je posvečal tudi Prekmurju. Bil je organizator številnih mladinskih srednješolskih raziskovalnih taborov na narodnostno mešanih območjih.
Bil je tudi neutruden proučevalec prebivalstva Slovenije v celoti in njenih posameznih delov, še posebej alpskega sveta. Dolenjske z Belo krajino in jugovzhodno Koroško. Med njegovimi tipologijami prebivalstvenih procesov je je zlasti znana karta demografskih območij Slovenije iz leta 1972. Zanimale so ga migracije delovne sile v industrijska središča. Posvečal se je tudi vprašanjem ekonomskih migracij ter slovenskim in jugoslovanskim izseljencem po svetu. Sodelovanje z madžarskimi in poljskimi geografi ga je usmerilo na področje agrarne geografije. Med rezultati sodelovanja pri projektu proučevanja izrabe tal v vzhodnoevropskih državah je bila tudi študija Kmetijska proizvodnja in izraba tal v vasi Podgorje pri Kamniku (1962), ki je postala klasičen model tovrstnih proučevanj v nekdanji Jugoslaviji. Sodelovanje z nemškimi geografi, še posebej z münchensko socialnogeografsko šolo, kjer se je večkrat izpopolnjeval, je poglobilo njegovo socialnogeografsko usmeritev, pri uveljavljanju katere je imel številne težave. Ta usmeritev je najbolj prišla do izraza v proučevanjih deagrarizacije in urbanizacije Slovenije, v okviru katerih so nastale študije Industrialisierung und raumwirksame Urbanisierung in Slowenien – Jugoslawien (1981), Problemi semi agrarne strukture in semi urbanih območij v Sloveniji (1981), Urbanizacija in deagrarizacija ter izraba tal za proizvodnjo hrane (1982).
Pri svojem delu je poudarjal in uveljavljal pomen terenskega dela. Z ugotavljanjem socialnogeografskih skupin kost nosilk prostorskih procesov je skušal na primeru konkretnih pokrajinskih vzorcev med številnimi terenskimi vajami v različnih slovenskih pokrajinah opozarjati študente na razmerja med načinom življenja in pokrajinsko strukturo. Dolga leta je vodil ekskurzije maturantov celovške gimnazije, ki jim je leto za letom predstavljal Slovenijo, pa tudi druge pokrajine Jugovzhodne Evrope.
Vnos: AK